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1、xxx 索佳测绘仪器贸易（上海）有限公司 ,全站式陀螺仪定向原理,目 录,概述 陀螺仪的基本原理陀螺仪的基本结构陀螺仪定向工作流程陀螺仪悬带零位观测粗略定向精密定向,一、概述,陀螺定向是运用陀螺经纬仪直接测定井下未知边的方位角。它克服了运用几何定向方法进行联系测量时占用井筒时间长、工作组织复杂等缺点，目前，已广泛应用于矿井联系测量和控制井下导线方向误差的积累。,二、陀螺仪的基本原理,陀螺经纬仪是根据自由陀螺仪(在不受外力作用时，具有三个自由度的陀螺仪)的原理而制成的。自由陀螺仪具有以下两个基本特性：,1、定轴性,2、 进动性,陀螺轴在不受外力作用时，它的方向始终指向初始恒定方向；,陀螺轴在受到
2、外力作用时，将产生非常重要的效应“进动”。,自由陀螺仪的上述两个特性，可通过以下实验予以证明。,陀螺仪,左端为一可转动的陀螺，右端为一可移动的悬重，当调节悬重的位置使杠杆水平时，可以看到陀螺转动后，其轴线的方向始终保持不变，即可验证定轴性。当将悬重向左移动一小段距离，即相当于陀螺轴受到一个向下的作用力时，陀螺转动后，杠杆将保持水平，但将在水平面上作逆时针方向的转动；同理，将悬重右移一小段距离，即陀螺轴受到一个向上的作用力时，陀螺转动后，杠杆仍保持水平，但将在水平面上作顺时针方向的转动，这样即可验证自由陀螺仪的进动性。,目前，常用的陀螺仪是采用两个完全自由度和一个不完全自由度的钟摆式陀螺仪。它是
3、根据上述的陀螺仪的定轴性和进动性两个基本特性，并考虑到陀螺仪对地球自转的相对运动，使陀螺轴在测站子午线附近作简谐摆动的原理而制成的。,如果把自由陀螺仪的重心从中心下移，即在自由陀螺仪轴上加以悬重Q，则陀螺仪灵敏部的重心由中心O下移到O1点，结果便限制了自由陀螺仪绕y轴旋转的自由度，亦即x轴因悬重Q的作用，而永远趋于和水平面平行的状态。此时它具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度。因为它的灵敏部和钟摆相似(重心位于过中心的铅垂线上，且低于中心)，所以称为钟摆式陀螺仪。如果用悬挂带悬挂起来，陀螺既能绕自身轴高速旋转，又能绕悬挂轴摆动(进动)。,3、陀螺仪寻北原理,(1) 地球自转及其对陀螺仪的作
4、用地球以角速度E(E=1周/昼夜=7.2510-5rad/s)绕其自转轴旋转，故地球上的一切东西都随着地球转动。如从宇宙空间来看地轴北端，地球是在作逆时针方向旋转，其旋转角速度的矢量E沿其自转轴指向北端。对纬度为的地面点p而言，地球自转角速度矢量E和当地的水平面成角，且位于过当地的子午面内。E可分解为垂直分量2(沿铅垂方向)和水平分量1(沿子午线方向)。,这时角速度矢量E应位于OPN上，且向着北极PN那一端。将E分解成互相正交的两个分量1和2。1叫做地球旋转的水平分量，表示地平面在空间绕子午线旋转的角速度；且地平面的东半面降落，西半面升起，在地球上的观测者感到就像太阳和其他星体的高度变化一样。
5、地球水平分量1的大小为： 1=Ecos,分量2表示子午面在空间绕铅垂线亦即万向结构z轴旋转的角速度，并且表示子午线的北端向西移动。这个分量称为地球旋转的垂直分量。观测者在地球上感到的正如太阳和其他星体的方位变化一样。分量2的大小为：2=Esin,(2) 陀螺仪轴对地球的相对运动,摆式陀螺的进动当地球旋转时，钟摆式陀螺仪上的悬重Q将使主轴x产生回到子午面的进动，其关系表示于上图中。当陀螺仪主轴x平行于地平面的时刻，则悬重Q不引起重力力矩，所以对于x轴的方位没有影响。但在下一时刻，地平面依角速度3绕y轴旋转，所以地平面不再平行于x轴，而与之呈某一夹角。设x轴的正端偏离子午面之东，那么当地平面降落后
6、，观测者感到的是x轴的正端仰起至地平面之上，并与地平面呈夹角。因而悬重Q产生力矩使x轴的正端进动并回到子午面方向。反之亦然。,若陀螺仪灵敏部重量为P，且认为是集中作用于重心O1，重心O1至悬挂点O的距离为1，则此时因地平面绕y轴旋转而引起的力矩为：MB=Plsin=Msin 这时x轴进动的角速度为：P=(M/H)sin,由于与地球转动的同时，子午面亦在按地转铅垂分量2不断地变换位置。故即使某一时刻陀螺仪轴与地平面平行且位于子午面内，但下一时刻陀螺仪轴便不再位于子午面内，因此陀螺仪轴与子午面之间具有相对运动的形式。当陀螺仪轴的进动角速度P与角速度分量2相等时，则陀螺仪轴与仪器所在地点的子午面保持
7、相对静止。,摆式陀螺的进动与地球自转影响的平衡,三、陀螺仪的基本结构,陀螺经纬仪是陀螺仪和经纬仪组合而成的定向仪器。根据其连接形式不同主要可分为上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪两大类。上架式陀螺经纬仪即陀螺仪安放在经纬仪之上，下架式陀螺经纬仪即陀螺仪安放在经纬仪之下。,现在常用的矿用陀螺经纬仪大都是上架式陀螺经纬仪。,全站式陀螺仪是将陀螺仪安放在全站仪之上而构成的，其中陀螺仪部分的基本结构如右图,四、陀螺仪定向的作业过程,1、地面已知边上测定仪器常数,假想的陀螺仪轴的稳定位置通常不与地理子午线重合，二者之间的夹角称为仪器常数，一般用表示 。陀螺仪子午线位于地理子午线的东边为正；反之为负。,图
8、3-10陀螺仪定向示意图,=A0-T,可以按下式求出仪器常数：,在下井定向之前，在已知边上测定仪器常数应进行23次，各次之间的互差对于GAK-1、JT15 等型号的仪器应小于40。,2、在井下定向边上测定陀螺方位角,仪器安置在C点上，可以测出CD边的陀螺方位角 T 。则定向边的地理方位角A为:,A=T +,测定定向边陀螺方位角应独立进行两次，其互差应小于40,3、仪器上井后重新测定仪器常数,仪器上井后，应在已知边上重新测定仪器常数23次。前后两次测定的 仪器常数，其中任意两个仪器常数的互差应小于40，然后求出仪器常数的最或是值。,白塞尔公式m=vv/（n-1）评定一次测定中误差。,4、求算子午
9、线收敛角,地理方位角和坐标方位角的关系为：,A0=0+0,子午线0的符号由安置经纬仪的位置确定，在中央子午线 以东为正，以西为负 。,5、求算井下定向边的坐标方位角,由上述公式可得出 = A0-T=0+0-T,= A-=T +平-,因此井下定向边的坐标方位角为,五、陀螺仪悬带零位观测,悬带零位是指陀螺马达不转时，陀螺灵敏部受悬带和导 流丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置，即扭力矩为零的位置。,在陀螺观测开始之前和结束之后，要作悬带零位观测，相应简称为测前零位观测和测后零位观测。,测定悬挂零位时，先将经纬仪整平 并固定照准部，下放陀螺灵敏部从读数 目镜中观测灵敏部的摆动，(即陀螺轴围 绕子午线摆动时
10、偏离子午线的两侧最远位 置)在分划板上连续读三个逆转点的读数， 估读到0.1格。,计算零位：,L=1/2（a1+a3）/2+a2,零位观测,六、粗略定向,在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，首先进行粗略定向，即把经纬仪望远镜视准轴置于近似北。,寻找近似北的方法：,（1）配有粗定向盘的陀螺仪，可用罗盘达到粗定向的目的。,（2）在已知边上测定仪器常数时，可利用已知边的坐标方位角及仪器站的子午线收敛角来直接寻找近似北方。,（3）当在未知边上定向，且仪器本身又无粗定向罗盘附件时，可用仪器本身来寻找北方，常用的方法为两个逆转点法。具体操作如下：,仪器在测站安置好后，将经纬仪视准轴大致摆在北方向后，起动
11、陀螺马达，达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，松开经纬仪水平制动螺旋，用手转动照准部跟踪灵敏部的摆动，使陀螺仪目镜视场移动的光标像与分划板零刻划线 随时重合。当达到摆动逆转点时，读取水平度盘1；用同样的方法向反方向跟踪，到达另一点逆转点时，再读取水平读数2。锁紧灵敏部，制动陀螺马达。按下式计算近似北在水平度盘上的读数：,N=1/2（1+2 ）,七、精密定向,精密定向就是精确测定已知边和定向边的陀螺方位角 。,运用陀螺经纬仪进行矿井定向的常用方法主要有逆转点法和中天法。它们间的主要差别是在测定陀螺北方向时，逆转点法的仪器照准部处于跟踪状态，而中天法的仪器照准部是固定不动的。这里以逆转点法为例来说明测
12、定井下未知边方位角的全过程。,1、逆转点法,第一步，在A点安置陀螺经纬仪，严格整平对中，并以两个镜位观测测线方向AB的方向值测前方向值M。,第二步，将经纬仪的视准轴大致对准北方向(对于逆转点法要求偏离陀螺子午线方向不大于60)。,第三步，测量悬挂带零位值测前零位，同时用秒表测定陀螺摆动周期。,第四步,用逆转点法精确测定陀螺北方向值NT。,启动陀螺马达，缓慢下放灵敏部，使摆幅在13范围内。调节水平微动螺旋使光标像与分划板零刻度线随时保持重合，到达逆转点后，记下经纬仪水平度盘读数。连续记录5个逆转点的读数u、u、u、u、u，并按下式计算N：,第五步,进行测后零位观测，方法同测前零位观测。,第六步,再以两个镜位测定AB边的方向值测后方向值M。,用逆转点法观测,第七步,计算T陀螺方位角： (T ),于是可得井下定向边坐标方位角。,提问与讨论,
